JP2015114123A - 位置センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化可能な位置センサの提供。【解決手段】モータシャフト３０１に取り付けられたロータ２００と、ロータ２００と対向する位置に配置されるステータモジュール１００と、を有する位置センサ１５０において、ステータモジュール１００は、樹脂製のステータ筐体１０と、ロータ２００と対向する励磁コイル５１と、励磁コイル５１から出力信号を処理する回路部が実装された回路基板３０と、を備え、ステータ筐体１０は凹部２０が形成され、凹部２０は、ロータ２００と対向する側に保持される底部１１と、底部１１より立設される壁部１２と、壁部１２の内側に形成される段差部１３を有し、励磁コイル５１は、底部１１のロータと対向する側のロータ対向面１１ａに配置され、段差部１３に回路基板３０が備えられ、段差部１３が底部１１から所定の距離に形成されることで、励磁コイル５１と回路基板３０とが離間し、重ねられる。【選択図】図５

Description

この発明は、位置センサの検出精度の向上に関する技術に関するものであり、詳しくは位置センサに用いる回路部の配置と位置センサのステータに用いるステータ筐体の形状に関する。

位置センサは、インダクタンスの変化によって回転体の位置或いは回転角度を検出するいわゆる非接触式の回転角度検出装置を含む。そして、近年、電気自動車やハイブリッドカーのような、自動車の動力をモータから得る自動車の普及に伴い、モータの回転角度などを検出する位置センサの小型化、高精度化などの要請が高い。インダクタンスの変化に伴って回転体の位置検出を行う位置センサであれば、その構成がシンプルにできるので、小型化に貢献出来る。

特許文献１には、インダクタンス式回転角度検出装置及びそれを備えたモータ駆動式の絞り弁制御装置に関する技術が開示されている。絞り弁が取り付け等得た回転軸の先端に励起導体を取り付け、ギアカバーに窓孔を設け、この窓孔から回転軸側の励起導体に対面するようにして励磁導体と信号発生導体が形成された固定基板をギアカバーに取り付けている。ギアカバーの窓孔部は薄い遮蔽部材で覆う。これによって、励磁導体と信号発生導体を回転体側の励起導体が配置された空間から遮蔽できる。このことで、回転体側の環境に影響されることのない信頼性の高いインダクタンス式の非接触式回転検出装置を備えた絞り弁装置が得られる。

特開２００８―９６２３１号公報

しかしながら、特許文献１の技術を用いた位置センサには、次のような課題が考えられる。

特許文献１に開示される技術では励磁導体及び信号発生導体と、回転角度検出装置の駆動制御を行う基板が並べて備えられている。このように励磁導体及び信号発生導体に相当するコイルパターン領域と基板とを近くに配置する場合には、位置センサの小型化の要請に反する他、基板が磁界の影響を受けるほか、コイルパターンが電磁ノイズの影響を受ける虞がある。

そこで、本発明はこのような課題を解決するために、小型化可能な位置センサを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明による位置センサは以下のような特徴を有する。

（１）回転軸に取り付けられたロータと、該ロータと対向する位置に配置されるステータと、を有する位置センサにおいて、前記ステータは、樹脂製のステータ筐体と、前記ロータと対向する位置に配置されるコイルと、該コイルから出力信号を処理する回路部が実装された回路基板と、を備え、前記ステータ筐体は凹部が形成され、前記凹部は、ロータと対向する側に保持される底部と、前記底部より立設される壁部と、前記壁部の内側に形成される段差部を有し、前記コイルは、前記底部の前記ロータと対向する側のロータ対向面、又はその裏面である内底面の少なくともいずれか１面に配置され、前記段差部に前記回路基板が備えられ、前記段差部が前記底部から所定の距離に形成されることで、前記コイルと前記回路基板とが離間し、重ねられること、を特徴とする。

上記（１）に記載の態様により、回路基板をステータ筐体の中に納め、コイルと重ねられるように配置したことで、位置センサ及びその制御用回路基板の取り付け場所の省スペース化を図ることができる。又、コイルから回路基板までの距離が短くなることで、接続線部が拾う電磁ノイズからの影響を低減することが可能となる。この結果、位置センサの検出精度向上に貢献することが可能となる。

（２）（１）に記載の位置センサにおいて、前記ステータ筐体は、前記壁部の外周面から外側に延設されるフランジ部を備え、前記フランジ部は、前記底部の前記ロータ対向面より前記ロータと対向する側とは反対側に離間した位置に設けられており、前記段差部は前記フランジ部の取り付け面より更に離間した位置に形成されていること、が望ましい。

上記（２）に記載の態様により、ロータに対向するステータ筐体のロータ対向面より、ロータから離間する方向にフランジ部が取り付けられ、フランジ部の取り付け面より更にロータから離間する方向に段差部が設けられる。このことで、段差部に設置される回路基板はロータ対向面より離間させることが可能であり、ロータからも距離をとることができる。その結果、回路部がロータ側で発生する熱の影響を減殺する事ができる。高速で回転するロータからは熱の発生を抑えることが難しいので、距離をとることで回路基板への熱影響を抑え、結果的に長寿命化や検出精度の向上に寄与できる。

（３）（１）又は（２）に記載の位置センサにおいて、前記回路基板と前記底部との間に磁気シールド部材が配置されていること、が望ましい。

上記（３）に記載に態様により、底部に配置されるコイルから発生する磁界を磁気シールド部材によってシールドすることができる。また、回路基板上の回路で発生する電磁のイズのコイル部への影響も低減可能となる。したがって、位置センサの検出精度向上に寄与する。

第１実施形態の、モータの側面断面図である。 第１実施形態の、ステータモジュールの上面視図である。 第１実施形態の、ステータモジュールの側面図である。 第１実施形態の、ステータモジュールの下面視図である。 第１実施形態の、ステータモジュールの断面図である。 第１実施形態の、位置センサの構成を示すブロック図である。 第２実施形態の、ステータモジュールの断面図である。 第２実施形態の、ステータモジュールの下面視図である。 第２実施形態の、ターミナル回りの拡大図である。

次に、本発明の第１の実施形態について、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動力として用いられるモータの回転角を検出する為の位置センサ（ロータリーエンコーダ）に用いた具体例にて、図面を参照しつつ説明する。なお、自動車以外の用途に用いることが可能であることは言うまでもない。

図１に、第１実施形態の、ステータモジュールの斜視図を示す。図２に、ステータモジュールの上面視図を示す。図３に、ステータモジュールの側面図を示す。図４に、ステータモジュールの下面視図を示す。図５に、ステータモジュールの断面図を示す。位置センサ１５０を構成するステータモジュール１００は、ステータ筐体１０と、回路基板３０と、を備えている。ステータ筐体１０は、プラスチック製であり射出成形されて形成されている。そして、図５に示される様に凹部２０を備えており、凹部２０は底部１１と壁部１２よりなる。壁部１２には段差部１３が凹部２０の内側に向けて形成されている。

底部１１は、図３に示される様にロータ２００に面するロータ対向面１１ａと、内底面１１ｂとを有する。段差部１３の高さは内底面１１ｂから距離ｘの位置に形成されており、段差部１３に回路基板３０が配置された段階で、内底面１１ｂと回路基板３０の下面とは距離ｘだけ離れた状態となる。一方のロータ対向面１１ａには励磁コイル５１が形成されている。なお、励磁コイル５１は内底面１１ｂに形成されていても良い。励磁コイル５１と回路基板３０とは、図４に示される様なターミナル３５によって接続されている。ターミナル３５は、ステータ筐体１０が射出成形される際に埋め込まれている。

図６に、位置センサ１５０の構成を示す。回路基板３０には、スイッチ８２とＰＬＤ回路８７と同期検波部８８が設けられている。ＰＬＤ回路８７として励磁信号生成部８１、スイッチング信号生成部８３が設けられている。励磁信号生成部８１にはスイッチ８２が接続され、励磁信号データが付与されている。励磁信号生成部８１は位置検出部５０の励磁コイル５１に接続されている。

同期検波部８８には、正弦波復調部８５と余弦波復調部８６が設けられている。正弦波復調部８５と余弦波復調部８６は励磁コイル５１に接続されている。又、ステータ筐体１０には、図１に示すようにフランジ部１５とコネクタ部２１が設けられている。フランジ部１５にはボルト孔１７が設けられ、図３に示すようにケース３０２に図示しないボルトで取り付けられる。

コネクタ部２１は、外部電源や信号のやり取りをする図示しない端子を備えており、回路基板３０に実装される素子からの電気信号などを外部とやり取りし、回路基板３０や励磁コイル５１に対して電力を供給するように、図示しないバスバが接続されている。ステータ筐体１０の下面には図３に示される様にケース３０２に当接する当接面１０ａが形成され、当接面１０ａにはシール部材４０が設けられる。シール部材４０はＯリングに用いられる様なゴム製部材が採用されている。

励磁コイル５１に対向して配置される検出コイル５２は、図示しないモータに備えられるモータシャフト３０１の先端に保持される。モータシャフト３０１の先端には、所定の深さに形成された保持溝３０１ａが設けられている。この保持溝３０１ａに検出コイル５２が形成されたロータ２００が保持されることで、ロータ２００はモータシャフト３０１の回転に伴って回転する。そして、励磁コイル５１と検出コイル５２より位置検出部５０が構成され、図６に示したような位置センサ１５０の回路構成によって、検出コイル５２の回転に伴う位置検出や角度検出を実現する。

第１実施形態のモータに備えられた位置センサ１５０は上記構成であるので、以下に説明するような作用を奏する。

まず、ステータモジュール１００の小型化が可能である点が効果として挙げられる。第１実施形態の位置センサ１５０は、回転軸に相当するモータシャフト３０１に取り付けられたロータ２００と、ロータ２００と対向する位置に配置されるステータモジュール１００と、を有する位置センサ１５０において、ステータモジュール１００は、樹脂製のステータ筐体１０と、ロータ２００と対向する位置に配置される励磁コイル５１と、励磁コイル５１から出力信号を処理する回路部が実装された回路基板３０と、を備えている。

また、ステータ筐体１０は凹部２０が形成され、凹部２０は、ロータ２００と対向する側に保持される底部１１と、底部１１より立設される壁部１２と、壁部１２の内側に形成される段差部１３を有し、励磁コイル５１は、底部１１のロータと対向する側のロータ対向面１１ａ（又は内底面１１ｂ）に配置され、段差部１３に回路基板３０が備えられ、段差部１３が底部１１から所定の距離に形成されることで、励磁コイル５１と回路基板３０とが離間し、重ねられるものである。

位置センサ１５０はこの様な構成である為、回路基板３０が励磁コイル５１と重ねられるように配置される結果となる。したがって、回路基板３０をステータモジュール１００とは別の場所に配置するケースと比べ、省スペース化を図ることが可能となる。車載される位置センサ１５０は、小型化が望まれており、回路基板３０を別の場所に配置することは極力避けたい。このため、第１実施形態に示すような省スペース化による恩恵は、単に回路基板３０を別途配置するスペースを省略できるだけではなく、配線の省略や放熱対策にもなり得る。この結果、車両のコストダウン等に貢献することも可能である。

また、第１実施形態のステータモジュール１００を位置センサ１５０に用いることで、位置センサ１５０の検出精度の向上寄与できる点が挙げられる。ステータ筐体１０は、壁部１２の外周面から外側に延設されるフランジ部１５を備え、フランジ部１５は、底部１１のロータ対向面１１ａよりロータ２００と対向する側とは反対側に離間した位置に設けられており、段差部１３はフランジ部１５の取り付け面より更に離間した位置に形成されているものである。

つまりステータ筐体１０に段差部１３を設け、段差部１３に回路基板３０を配置することで、底部１１に設けられる励磁コイル５１と回路基板３０との間を空けることができる。図５に示す空間Ａが設けられる結果、励磁コイル５１から回路基板３０への回り込みを防ぐことができる。距離ｘが離れるほどノイズの影響を排除することができるため、ステータモジュール１００のような構成は効果的であり、位置センサ１５０の精度向上にも貢献することができる。

また、励磁コイル５１と回路基板３０とは接続線部に相当するターミナル３５で電気的に結ばれている。従来、回路基板３０が位置センサ１５０の外部に設けられるケースでは、接続線を取り回す必要があった。この点、ターミナル３５は底部１１より回路基板３０までの距離程度に抑えることができるため、接続線部から位置検出部５０または回路基板３０へノイズが回り込むリスクを低減させることができる。また、回路基板３０及び励磁コイル５１に対して垂直にターミナル３５が設けられることで、形成される磁束の向きが、位置検出部５０及び回路基板３０に影響する可能性を低減することができる。結果、位置センサ１５０の検出精度の向上に寄与する。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２実施形態は第１実施形態の位置センサ１５０の構成とほぼ同じであるが、ステータ筐体１０の構成が若干異なる。

図７に、第２実施形態の、ステータモジュールの断面図を示す。図８に、ステータモジュールの下面視図を示す。図９に、ターミナル回りの拡大図を示す。ステータモジュール１００の底部１１には、内底面１１ｂに接するように磁気シールド部材２５が配置される。磁気シールド部材２５は、金属板もしくは磁性シートを用いる。この結果、磁気シールド部材２５の上に空間Ａが形成されることになる。そして、図８及び図９に示される様に、ターミナル３５の周囲にはターミナル防護用金属３６が配置される。ターミナル防護
用金属３６は筒状の金属体が用いられている。

第２実施形態の位置センサ１５０は、上記構成であるので、第１実施形態の位置センサ１５０と同等の作用及び効果を奏するが、更に以下に説明するような作用及び効果を得られる。

第２実施形態の位置センサ１５０には、磁気シールド部材２５が設けられることで、回路基板３０から励磁コイル５１へのノイズの回り込みを防止することができる。ターミナル３５から発生する磁束は、励磁コイル５１または回路基板３０へは磁束の向きが異なる為、影響を与え難い。しかしながら、ターミナル３５の周囲にターミナル防護用金属３６が設けられることで、更なる影響低減が可能となる。この結果、位置センサ１５０の検出精度の向上を図ることが可能となる。

以上において、実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。例えば、第１実施形態及び第２実施形態のステータモジュール１００には、底部１１のロータ対向面１１ａ側に励磁コイル５１を形成したが、内底面１１ｂ側に励磁コイル５１を形成することを妨げない。また、位置センサ１５０に用いる材質を例示しているが、同じ効果を奏する異なる材質に変更することを妨げない。また、ステータモジュール１００に用いるステータ筐体１０の形状に関しても、発明の範囲内において設計変更することを妨げない。

１０ ステータ筐体
１１ 底部
１１ａ ロータ対向面
１１ｂ 内底面
１２ 壁部
１３ 段差部
１５ フランジ部
２０ 凹部
２１ コネクタ部
２５ 磁気シールド部材
３０ 回路基板
３５ ターミナル
５０ 位置検出部
１００ ステータモジュール
１５０ 位置センサ
２００ ロータ

Claims (3)

1. 回転軸に取り付けられたロータと、該ロータと対向する位置に配置されるステータと、を有する位置センサにおいて、
   前記ステータは、
   樹脂製のステータ筐体と、前記ロータと対向する位置に配置されるコイルと、該コイルから出力信号を処理する回路部が実装された回路基板と、を備え、
   前記ステータ筐体は凹部が形成され、
   前記凹部は、ロータと対向する側に保持される底部と、前記底部より立設される壁部と、前記壁部の内側に形成される段差部を有し、
   前記コイルは、前記底部の前記ロータと対向する側のロータ対向面、又はその裏面である内底面の少なくともいずれか１面に配置され、前記段差部に前記回路基板が備えられ、
   前記段差部が前記底部から所定の距離に形成されることで、前記コイルと前記回路基板とが離間し、重ねられること、
   を特徴とする位置センサ。
2. 請求項１に記載の位置センサにおいて、
   前記ステータ筐体は、前記壁部の外周面から外側に延設されるフランジ部を備え、
   前記フランジ部は、前記底部の前記ロータ対向面より前記ロータと対向する側とは反対側に離間した位置に設けられており、
   前記段差部は前記フランジ部の取り付け面より更に離間した位置に形成されていること、
   を特徴とする位置センサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の位置センサにおいて、
   前記回路基板と前記底部との間に磁気シールド部材が配置されていること、
   を特徴とする位置センサ。

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